从服务范围角度来划分,无线定位系统可被分为无线广域定位系统和无线局域网/个域网定位系统。其中,无线广域定位系统主要包括全球导航卫星系统(GNSS)和蜂窝网络定位系统。无线局域网/个域网定位系统主要包括无线局域网定位系统、蓝牙定位系统和超宽带(UWB)定位系统。
20世纪70年代,蜂窝小区和频率复用的概念被提出,无线移动通信时代随之到来。蜂窝网络作为如今应用最为广泛的广域通信网络之一,在城市、乡村等均实现了广域覆盖,其基本功能是提供语音和视频等通信业务。由于应急呼叫的业务需求,在2G通信系统中,我们开始了基于蜂窝网络的定位技术研究。随着移动互联网和工业物联网等技术的快速发展,终端定位服务在5G通信系统中越来越重要。
将5G蜂窝网络的定位测量量分为以下三类。第一类,与信号空口传输时延相关的测量量,包括相对到达时间(RTOA)、参考信号到达时间差(RSTD)、用户设备收发时间差(User Equipment Rx-Tx Time Difference)和基站收发时间差(gNB Rx-Tx Time Difference);第二类,与信号角度相关的测量量,包括到达角(AoA)和离开角(AoD);第三类,与信号功率强度相关的测量量,包括接收参考信号功率(RSRP)、参考信号接收质量(RSRQ)。根据对上述定位测量量的划分,5G蜂窝网络支持以下三类定位方法。第一类,基于信号空口传输时延的定位方法,包括下行链路到达时间差(DL-TDOA)、上行链路到达时间差(UL-TDOA)和多小区往返行程时间(Multi-RTT);第二类,基于信号角度的定位方法,包括上行链路到达角(UL-AoA)和下行链路离开角(DL-AoD);第三类,基于信号功率强度的定位方法,包括增强小区标识(E-CID)。
图1-1给出了网络辅助的全球导航卫星系统(A-GNSS)示意图。在A-GNSS的工作过程中,A-GNSS参考网络首先接收和处理GNSS信号,并将GNSS信息和辅助信息提供给本地定位服务器,然后通过蜂窝移动通信网络将上述GNSS信息和辅助信息作为定位辅助信息提供给用户设备。定位辅助信息包括卫星星历、频率范围、标准时间和近似位置等信息,能帮助用户设备快速地检测和锁定卫星信号,降低定位时延,提升定位精度。与没有网络辅助的GNSS相比,A-GNSS信号的搜索跟踪性能和速度都得以提升,并且可以在半开阔区域内或受到一定遮挡的情况下实现卫星导航定位。通过蜂窝移动通信网络播发GNSS信息和辅助信息,可以在卫星导航过程中协助用户设备缩短卫星初搜的时间并提升定位精度。
图1-1 A-GNSS示意图
A-GNSS缩短了定位时间,提升了定位灵敏度。根据蜂窝移动通信网络提供的辅助信息,用户设备在检测卫星信号之前就能够知道应该捕获的卫星星历等信息。用户设备捕获到信号后,能直接利用测量量和卫星星历进行位置解算,使得首次定位的总时间从分钟级降到秒级。同时由于用户设备利用辅助信息预先就知道需要搜索哪些卫星,信号搜索跟踪过程变得简单,可以有针对性地压缩搜索频带、降低噪声带宽、延长信号能量的累计时间,从而提升信号接收灵敏度,使用户设备可以捕获更弱的信号。
除了可以缩短定位时间外,A-GNSS还可以提升定位精度。辅助信息使得A-GNSS接收机能捕获和跟踪较弱的卫星信号,与普通接收机相比,它能利用更多的卫星进行定位,有更好的几何精度因子,定位精度得到了改善。
无线局域网定位系统采用基于电气电子工程师学会(IEEE)802.11标准的定位技术,其中,IEEE 802.11标准简称为Wi-Fi。基于Wi-Fi的室内定位技术具有部署简单、易于实现、抗干扰能力强且定位精度较高等优势。它利用附近Wi-Fi和其他无线接入点来发现设备所在的位置,结合某些相关算法来确定目标位置。基于Wi-Fi的室内定位技术的演进过程大致划分为以下3个阶段。第1个阶段,1999年,3个最初的Wi-Fi版本只支持基于通信信号的接收信号强度指示(RSSI)进行指纹匹配或三边定位;IEEE 802.11a采用正交频分复用(OFDM)调制技术,与RSSI相比,可以提供更多信息维度的信道状态信息(CSI),能够获得亚米级的指纹定位精度。第2个阶段,2009年发布的IEEE 802.11n标准,支持多输入多输出(MIMO)技术,从而支持基于AoA的三角定位,能够获得米级定位精度。第3个阶段,IEEE 802.11-2016标准之后,Wi-Fi新增加了精细时间测量(FTM)量,从而支持RTT与RSSI融合的定位算法,获得更为准确的距离测量量,并进一步与AoA结合,在小范围内提供亚米级定位精度。
基于Wi-Fi的室内定位技术主要分为4种。基于RSSI的定位技术、指纹定位技术、基于AoA的定位技术和基于到达时间(TOA)的定位技术。基于RSSI的定位技术需要测量客户端设备接收到的多个不同接入点的信号强度,然后利用传播模型解算出客户端设备与接入点之间的距离,再根据三边测量法估计位置。虽然这种定位技术容易实现,但不能提供较高的定位精度。指纹定位技术可以分为以下两个阶段,即离线阶段和在线跟踪阶段:离线阶段通过探测接收信号强度建立RSSI指纹库;在线跟踪阶段将在未知位置上测量的RSSI向量与指纹库数据进行比较,并返回最接近的匹配项作为估计的用户位置。指纹定位精度取决于数据库的大小和系统针对环境变化的不断校准。基于AoA的定位技术通过感知其他设备发送信号的到达角度,利用三角测量方法来解算客户端的位置,这种技术通常比其他技术更准确,但需要特殊的硬件才能部署。基于TOA的定位技术使用无线接口提供的时间戳计算信号的RTT,从而估计客户端设备与接入点之间的距离,然后利用三边测量技术来解算客户端位置。基于Wi-Fi的室内定位技术的问题在于Wi-Fi标准面向无线局域网网络设计,信号覆盖范围为10m量级,且不具有类似于蓝牙信标的小型化节点,导致进行大范围覆盖需要极高的建设成本。
蓝牙是一种常用的短距离无线通信技术,工作于非授权的工业、科学和医疗(ISM)频带,主要用于无线个域网。蓝牙在定位方面的发展可以分为以下3个阶段。第1个阶段,2002年,蓝牙1.1版本(IEEE 802.15.1-2002)中引入了测量RSSI的功能,从而可以基于蓝牙实现信号强度的指纹匹配定位,或通过路径损耗模型解算信号传播距离后的三边定位,定位误差可达数米;第2个阶段,2010年,蓝牙4.0版本中的低功耗蓝牙(BLE)协议推出了蓝牙信标产品,使得蓝牙定位网络的部署密度高,成本得到了极大程度的降低,在部署密度较高的情况下,定位精度最高能达到米级;第3个阶段,2019年,蓝牙5.1版本进一步支持AoA和AoD测量功能,融合RSSI和AoA/AoD测量结果,能够提供亚米级定位精度。
蓝牙定位系统根据定位设备的不同,可被分为网络侧定位与终端侧定位。网络侧定位由蓝牙信标、终端设备、蓝牙网关、无线局域网及后台服务器组成;终端侧定位系统由蓝牙信标与终端设备组成。定位的原理是蓝牙信标定时广播数据包,终端设备获取到蓝牙信标的RSSI信息后,通过特定的定位算法解算出定位结果。由于蓝牙设备具有体积小、易集成于多种终端设备及功耗低等特点,蓝牙定位系统被广泛应用。目前蓝牙定位系统主要被应用于室内小范围定位,例如展馆定位、医院中的人员定位管理等。蓝牙定位系统存在以下两方面问题:第一,蓝牙信号带宽只有2MHz,在室内环境中存在严重的多径干扰,定位精度的进一步提高较为困难;第二,面向无线个域网络设计,信标节点覆盖范围一般仅为10m左右,如果需要大范围定位服务,则需要部署巨量节点,成本较高。
从1988年开始,美国联邦通信委员会(FCC)向通信行业征求意见,主要针对的是UWB对其他无线通信系统的干扰和它们之间的兼容问题。2002年,FCC解除了对UWB的军用限制,批准向民众开放使用,此外,还修改了UWB的技术标准,规划了频谱使用范围为3.1GHz~10.6GHz,并且只要在规定的功率辐射范围内就可以商用,这一举措极大地促进了UWB技术的发展。目前在国际范围内应用最广泛的两种UWB技术标准是支持采用多频带方式来实现UWB技术的多频带OFDM联盟(MBOA)标准和支持采用单频带方式的直接序列超宽带(DS-UWB)标准。
UWB技术通过发送和接收具有纳秒级或微秒级以下的极窄脉冲来实现无线传输。由于脉冲时间宽度极窄,因此可以实现频谱上的UWB技术。UWB技术使用的典型带宽在500MHz以上,具有精度高、穿透能力强、抗多径干扰能力强和功耗低等特点。UWB定位通过基站、定位标签发送和接收脉冲信号来获取信号到达时间的相关测量量,然后通过定位算法解算得到位置坐标,定位精度可达厘米级。